1、 土木工程结构试验 课件制作： 王苏岩 教授土木工程结构试验选用教材： 土木工程结构试验与检测刘明主编 高等教育出版社 建筑结构试验姚振刚、刘祖华编著 同济大学出版社主要参考书： 土木工程结构试验姚谦峰、陈平编著 中国建筑工业出版社 建筑结构试验姚振刚主编、武汉大学出版社 土木工程结构试验王天稳主编、武汉理工大学出版社 结构试验马永欣、郑山锁，科学出版社 工程结构试验理论与技术李忠献，天津大学出版社 GB/T 50152-2012 混凝土结构试验方法标准，中国建筑工业出版社 公路桥梁荷载实验谌润水，人民交通出版社 课程安排 课堂教学：24学时 试验：12学时（共包括4个实验） 1、电阻应变片测
2、量应变技术实验 2、钢桁架静力荷载实验 3、结构自振特性测量实验 4、混凝土结构的非破损检验技术实验 考核方式 平时成绩 试验报告 综合评价 考试土木工程结构试验课程特点先修课程： 材料力学、结构力学、钢筋混凝土结构、钢结构等课程性质：v 很强实践性的专业技术课v 会基本试验设计要求： 掌握一般的试验技能、知识，能根据需要进行一般的结构试验设计。【学习态度：严谨、细致；不能随意，想当然】主要内容1.1 土木工程结构试验的任务1.2 土木工程结构试验的目的1.3 土木工程结构试验的分类第一章 土木工程结构试验概论土木工程结构试验课程介绍 土木工程结构试验是以试验技术为手段，测量能反映结构或构件实
3、际工作性能的有关参数，为判断结构的承载能力和安全储备提供重要根据。（量什么、怎么量、干什么？） 本课程的任务是使学生获得建筑结构试验方面的基础知识和基本技能，能够进行一般建筑结构试验的设计与实施。“实验”与“试验”定义： 【实验】：为了检验某种科学理论或假设而进行某种操作或从事某种活动。 【试验】：为了察看某事的结果或某物的性能而从事某种活动。区别： 实验中被检验的是某种科学理论或假设，通过实践操作来进行； 而试验中用来检验的是已经存在的事物，是为了察看某事的结果或某物的性能，通过使用、试用来进行。 【比如产品抽样检测】 试验都是实验，即实验比试验的范围宽广。 土木工程是建造各类工程设施的科学
4、技术的总称, 它既指工程建设的对象, 即建在地上、地下、水中的各种工程设施, 也指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术。 土木工程结构试验中的“土木工程”土木工程的范围 土木工程的范围非常广泛，它包括房屋建筑工程、公路与城市道路工程、铁道工程、桥梁工程、隧道工程、机场工程、地下工程、给水排水工程、港口码头工程等。国际上，运河、水库、大坝、水渠等水利工程也包括于土木工程之中。土木工程结构试验中研究的- 土木工程结构 建筑结构、桥梁结构、地下结构、水工结构、隧道结构、特种结构（高耸结构、构筑物） 工程结构-以各种工程材料为主体构成承重构件的组合体 常见形式-板、梁、柱、基
5、础中国古代木结构山西应县木塔(佛宫寺释迦塔)建成时间：公元1056年塔高67.3m；共9层横截面呈八角形,底层直径达30.27m该塔经历了1305年的八级大地震等多次地震,寺旁房屋全部倒塌，经历近千年的雨雪风暴，也遭受战火炮弹的袭击，仍完整耸立,足以证明我国古代木结构的高超技术。测量：风速8.59.5m/秒塔顶水平位移：0.2mm世贸双子塔：宽63.5；高411m （110）普通风力最大水平位移：28cm 赵州桥建于公元600年左右。全长50.82m，主孔净跨37.02m， 拱矢净高7.23m，桥面宽10m 。是世界上现存的最早的敞肩圆弧拱桥。被美国土木工程师学会选为第12个“国际历史土木工程
6、里程碑”。（以前有伦敦铁桥、埃菲尔铁塔、巴拿马运河等）工程结构 板、梁、柱、基础 在规定使用期内 各种风险 （设计、施工、自然灾害、老化、损伤积累）要满足功能和使用要求，就要了解结构的工作状态（强度、刚度、抗裂性、安全储备、应力分布、工作状态等）基本方法：理论计算、试验分析、数值模拟结构试验的意义 试验涉及： 受力状况力学 材料性能工程材料 综合评价结构性能（结构分析：钢结构、混凝土结构、特种结构等）实践是检验真理的唯一标准 结构试验的意义理论的预言一定要通过实践的检验来证实 结构理论 提出假定结构计算 根据现象，提出问题结构试验 给出对理论的合理解释u试验是发展结构理论、解决工程设计方法的主
7、要手段之一，是一门试验科学。 结构试验的意义1.1 工程结构试验的任务工程结构试验的任务是: 在结构物或试验对象(实物或模型)上，利用设备仪器为工具，采用各种实验技术为手段，在荷载(重力、风力、地震作用)或其他因素(温度、变形)作用下,通过量测与结构工作性能有关的各种参数(变形、挠度、应变、频率、振形)，从强度、刚度、抗裂性、稳定性以及结构实际破坏形态来判断结构的实际工作性能，估计结构的承载能力，确定结构对使用要求的符合程度，并为以验证和发展结构的计算理论提供可靠的依据。1.1.1 结构试验及其要素 对试件或模型（构件、子结构、结构及其模型），为获得一定数据或提供理论研究依据而进行的荷载或其他
8、作用试验。 试验是一个完整的系统工程（复杂程度不同）硬件： 实验对象、加载设备、测试记录仪器软件： 目的、内容、步骤、结果 现代科学研究包括理论研究和试验研究，理论的发展需要试验来验证。实验室建设的重要性1.1.2 工程结构理论与结构试验的关系 简支梁纯弯段截面的应力分布情况的验证过程 1638年 伽利略 均匀受拉 1685年 马里奥托 中和轴理论 1767年 法-容格密里 验证假设 1821年 法-拿维叶 理论上推导 20 多年后 法-阿莫列恩 用实验验证公式受弯梁断面的应力分布的研究，经历了由假设简单试验理论分析试验检验的阶段，前后经历了二百多年的时间。这充分说明了试验在理论发展中的作用和
9、地位。 法国科学家容格密里首先用简单的试验方法，令人信服地证明了梁断面上压应力的存在。他在一根简支梁的跨中，沿上缘受压区开槽，槽的方向与梁轴垂直，在槽内塞入硬木垫块。试验证明，这种开槽梁的承载能力丝毫不低于整体未开槽的木梁。这说明只有上缘受压力才可能有这样的结果。 人类对这个问题进行了200多年的不断探索，至此才告一段落。从这段漫长的历程中可以看出，不仅对于验证理论，而且在选择正确的研究方法上，试验技术都起了重要的作用。 科学的发展都是以技术的突破为转机的。试验验证理论，而理论的发展又将试验推向更高的阶段，即指导试验。二者紧密地联系在一起，相互促进，共同发展 。（加载、测试技术不断改进）丁肇中
10、1976诺贝尔物理奖理论分析和结构试验方法的特点 理论分析方法：给出结构应力分析的基本方程式，要先进行一系列假设，对复杂问题、复杂边界条件、非线性问题，无法给出精确解。 结构试验方法：直接模拟实际结构及其边界条件，进行试验，得到结果。古代工程技术应用（工匠与高阳应） 思辨试验+分析 逻辑思维 理论分析中，一方面可以用传统和现代的设计理论、现代的计算技术和方法；另一方面也可以用结构试验、试验应力分析方法。计算机技术的发展在理论与试验之间提供了一条通过计算建立联系的新途径数值模拟。 结构工程科学由理论与试验两极变成为理论、试验、数值计算三足鼎立的新学科结构。 计算机技术的发展为结构试验的发展提供了
11、无限的空间。1.1.3 工程结构试验与数值模拟的关系 按试验目分为生产性试验和科研性试验。 （1）生产性试验（又称鉴定、检验性试验） 以实际结构为实验对象，解决问题 检验性试验对象一般是真实的结构或构件其目的是：通过试验来检验结构构件是否符合结构设计规范及施工验收规范的要求，并对检验结果作出准确的技术结论（2）研究性试验 研究性试验具有研究、探索和开发的性质1.2 工程结构试验的目的A、检验或鉴定结构设计和施工质量。 设计阶段：桥梁的风洞试验（特殊、超限结构） 电视塔的抗震试验 施工阶段：桩基础的检测 核电站的竣工加压试验 1.2 结构试验目的-生产性试验 我国是全球台风发生次数最多、势力最强
12、的地区。每年的台风约占世界台风总数的1/3。 2005年中国十大自然灾害中有四个是风灾，包括台风“龙王”、“泰利”、“麦莎”和“达维”。2005年中国十大自然灾害造成直接经济损失841亿元人民币，而风灾造成的损失为 550.8亿，占总数的65.5%。2011年首都机场三号航站楼也被掀翻局部屋面 。2012.11月美国的飓风“桑迪”对纽约城市的影响。检验或鉴定结构设计和施工质量新的热带气旋等级划分： 热带低压：67级（10.817.1米每秒） 热带风暴：89级（17.224.4米每秒） 强热带风暴：1011级（24.532.6米每秒） 台风：1213级（32.741.4米每秒） 强台风：1415
13、级（41.550.9米每秒） 超强台风：1617级（大于51.0米每秒） 检验或鉴定结构设计和施工质量检验或鉴定结构设计和施工质量某体育场遭遇大风破坏某输电塔遭遇大风破坏某高压输电塔遭遇大风破坏某超高层酒店遭受大风破坏检验或鉴定结构设计和施工质量 以上海金茂大厦为背景，对超高层建筑的风致振动进行了系统研究。进行了刚性模型测压、高频动态天平和多自由度气弹模型试验，计算和试验同时得到了结构的静力和动力响应 以及等效风荷载。 检验或鉴定结构设计和施工质量 天津柳林桥位于海河上，该桥为“蜻蜓点水”创意的大型特种桥梁。该方案由荷兰DHV工程咨询有限公司提出，天津市政工程设计研究院方案的基础上进行初步设计
14、和施工图设计。柳林桥主桥跨径为2100米，主桥全宽44米。主桥结构除基础外，均为钢结构。效果图检验或鉴定结构设计和施工质量 广州电视塔高600米，由高450米的主塔和高150米的天线桅杆构成。塔体由椭圆型钢结构外筒和混凝土核芯筒以及连接这两者的钢-混凝土组合结构楼面组成。钢结构外筒由24条斜向立柱、水平斜向环和斜撑组成。底层长短轴尺寸分别为80米和60米，顶部为50米和45米，中部“纤纤细腰”为27.5米和20.65米。底部和顶部轴心位置不重合，中轴线倾斜。桅杆天线为钢结构。目前是世界第一高塔。B、对工程改建、试验判断结构的实际承载力。 （改变用途） 例如：对旧有建筑扩建、加层。 厂房提高吊车
15、的起重能力 为提高抗震烈度而进行加固1.2 结构试验目的-生产性试验“楼体加高引发事故 7层楼房凌晨坍塌导致4死3伤”“黑龙江省北安市某小学教学楼工程楼体坍塌事故”“3层楼房加高到7层半 南昌一高楼整体垮塌”“校舍抗震烈度要达八度 比原标准提高一度，市内大多学校无法达”C、为处理受损结构提供技术依据。（受到灾害、环境侵蚀等影响） 如：沈阳某商业城火灾后，对损坏重的构件进行荷载试验，推定失效程度、承载力，为加固提供依据。D、已建结构的可靠性检验，推断和估计剩余寿命（达到设计使用年限） 例如：桥检-大连市的多座危桥2012年进行了加固维修。1.2 结构试验目的-生产性试验2011年，钱江三桥倒塌：
16、杭州钱江三桥辅桥主桥面右侧车道部分桥面突然塌落，一辆重型半挂车从桥面坠落，又将下闸道砸塌。“肇事车辆涉嫌严重超载”2007年，堤溪大桥倒塌：湘西土家族苗族自治州重点建设项目。桥身设计长328米，跨度为4孔，每孔65米，高42米，计划投资1200万元。施工单位为湖南省路桥集团公司。拆架未完大桥全部垮塌。2012年，哈尔滨阳明滩大桥引桥垮塌。为工程事故鉴定提供技术依据 2007年8月，美国中部城市明尼阿波利斯市发生一起桥梁坍塌事故。多辆汽车掉入密西西比河中。坍塌的桥面为一四车道高速公路横跨密西西比河部分，媒体报道称约有二、三十人在事故中受伤。 事故桥梁出现安全问题已有一段时间，过去数月来常有专业人
17、员封锁一或两条车道进行检修工作。 这座大桥建于一九六七年，每日约有二十万车辆通行。为工程事故鉴定提供技术依据为工程事故鉴定提供技术依据E、鉴定预制构件产品的质量 随机抽样，少量试验，推定产品质量（井盖、叠合木梁、混凝土强度）。F、司法仲裁 为法院提供技术支持。1.2 结构试验目的-生产性试验高分子树脂模压复合井盖试验方法与性能指标抗压强度：不小于30MPa，抗折强度：不小于14MPa耐冷热性能 样品放置60度烘箱内16小时，然后再把该样品放入-40度的冷箱中2小时，该样口：膨胀率0.2% 收缩率0.09% 耐腐蚀性能 常温中，将样品浸没于腐蚀介质2小时该样品：无龟裂、膨胀、表面发白等现象摩擦系
18、数 用盖面与橡胶进行直接摩擦5小时，其系数0.35 耐老化性能 将样品放置调温调湿装置，用605氙灯及雨淋500小时，其抗折强度变化：3% 高分子树脂模压井盖鉴定预制构件产品的质量鉴定预制构件产品的质量研究性试验具有研究、探索和开发的性质 研究性试验的具体应用：A、解决新计算方法、假定、工艺问题 钢骨混凝土计算、带斜撑剪力墙的超高层建筑结构设计、混凝土加固计算 B、验证结构计算理论的假定 钢骨混凝土计算、带斜撑剪力墙的超高层建筑结构设计、混凝土加固计算 C、为制定设计规范提供依据 规范修改19842004；箍筋加密区的限定，尺寸效应 D、为推广新结构、新材料、新工艺提供实践经验： 组合结构、纤
19、维混凝土、钢管混凝土等 吊篮施工 1.2 结构试验目的-研究性试验剪力墙节点试验剪力墙节点试验带竖缝钢板剪力墙试验带竖缝钢板剪力墙试验1.2 结构试验目的-研究性试验短支剪力墙静载试验短支剪力墙静载试验1.2 结构试验目的-研究性试验钢管混凝土试验带预留缝劈拉试验1.2 结构试验目的-研究性试验短肢剪力墙试验短肢剪力墙的设计理论和试验研究1.2 结构试验目的-研究性试验先力控制加载，底部受力钢筋达到屈服时改为位移控制 按试验对象：真型试验、模型试验； 按荷载性质：静力试验、动力试验； 按试验时间：短期试验、长期荷验； 按试验场合：试验室试验、现场试验； 按破坏程度：破坏性试验与非破坏性试验。1
20、.3 土木工程结构试验的分类A、按试验对象的尺寸分类 （考虑加载、测试量程、精度、投资、周期）l 原形试验，也称真型试验：v试验对象：实际结构或按比例复制的结构、构件v优点：完全反映真实结构受力特性，试验结论可靠v缺点：费用高，加载难度大，试验周期长，非破损试验（结构使用阶段） 如高层建筑的风振试验；桥检的脉动试验等l 模型试验：v试验对象：缩尺试件（几何相似、材料相似、力学相似）v优点：实施方便，费用低，多参数、多试件v缺点：严格相似条件难实现，尺寸效应的影响，初始缺陷1.3 土木工程结构试验的分类1.3 土木工程结构试验的分类B、按试验荷载性质分类 结构静力试验：（简单、常用、方便观测）v
21、单调静力试验、低周反复静力试验（伪静力）等v优点：加载设备简单，试验观测方便v缺点：不能反映结构动力性能 结构动力试验：（研究动荷载的特性、结构的动力特性以及结构在不同性质动荷载作用下的动力反应试验。）v振动台试验、结构疲劳试验、风洞试验等v优点：能真实反映结构的动力特性和动力响应v缺点：加载设备和测试手段复杂静力试验单调静力试验 观测方便，可人工读数 钢筋混凝土梁受弯试验观测项目： 应力、挠度、裂缝、破坏形态预加载 标准加载 破坏加载静力试验低周反复静力试验 低周反复静力试验又称伪静力试验动力试验结构动力特性试验疲劳过程中施加静载曲线疲劳过程中施加静载曲线动力试验地震模拟振动台试验大连世界金
22、融中心风洞试验大连世界金融中心风洞试验动力试验风洞试验动力试验-疲劳试验、冲击试验1.3 土木工程结构试验的分类C、按试验时间长短分类 （试验周期受到限制） 短期荷载试验：v一般试验全过程持续几分钟到几天 v通常的结构试验均为短期荷载试验 长期荷载试验：v试验全过程持续几个月、几年到数十年v主要研究与时间有关的结构特性（如：混凝土的收缩、徐变，预应力筋的松弛，结构的耐久性能等）1.3 土木工程结构试验的分类D、按试验所在场地分类 实验室结构试验v在试件设计、加载方法、测试设备等方面均比较精 在试件设计、加载方法、测试设备等方面均比较精确，可突出主要研究因素，而且可加载至破坏v适用于科研性试验v
23、今后结构试验的主要发展方向 现场结构试验v试验比较简单，通常不会加载至破坏v优点是试件或结构的工作条件、结构型式等完全反映工程实际情况E、按试验是否破坏分类 结构破坏性试验： 试验室试验与短期荷载试验多为破坏性试验 结构非破坏性试验：现场试验和长期荷载试验多为非破坏性试验 以不损伤结构和不影响结构功能为前提，在建筑结构现场，根据结构材料的物理性能和结构体系的受力性能对结构材料和结构受力状态进行检测的方法。回弹法，测砼强回弹法，测砼强度，方便，简单度，方便，简单超声法，测砼强度，超声法，测砼强度，内部缺陷，准确内部缺陷，准确钻芯法，测砼强度，钻芯法，测砼强度，准确，费时费力准确，费时费力1.3
24、土木工程结构试验的分类地质雷达法，测空洞，地质雷达法，测空洞，缺陷，省时省力缺陷，省时省力大连地铁初支空洞检测【大大连地铁初支空洞检测【大工现代工程检测有限公司】工现代工程检测有限公司】F、按工程结构性质分类 砌体结构、混凝土结构、钢结构、钢-混凝土结合结构 房屋、桥梁、水工、港工、特种结构G、按试验层次分类 材料特性试验、构件试验、子结构试验、整体结构试验、模型试验1.3 土木工程结构试验的分类 试验规划阶段 试验准备阶段 试验加载测试阶段 试验资料整理分析阶段1.4 土木工程结构试验的一般过程 土木工程结构试验是一项科学实践性很强的课程。结构试验是研究试验规律、试验方法、测量技术、数据分析
25、处理的学科。课程的特点是涉及的知识面广，实践性强。v加载设备、仪器仪表知识：机械、液压、电工学、电子学、化学、物理学等v计算机技术：试验控制、数据采集、信号分析【傅立叶变换】、误差处理【origin】1.5 土木工程结构试验课程的特点 重视相关理论知识和技术的学习。应全面、准确地理解土木工程结构试验的基本理论、概念和范畴，分析、解决一些现实中的理论问题和实际问题，正确处理好继承、借鉴和创新关系，在掌握结构试验原理的基础上，重点掌握基本的试验方法，了解国内外最新发展的试验理论和试验方法。 重视实验环节、试验技术、试验技能的训练，亲自动手实验。应注意理论和实践相结合，根据所选专业方向，完成相关专业
26、的结构试验，掌握必要的测试技术和试验操作能力。 要结合各相关规范掌握现行有效的试验方法标准，以确保试验数据准确，数据处理规范，试验结果评价尺度统一 。学习方法 先进的大型和超大型试验装备（着重对试验的荷载模拟和荷载系统进行研究） 基于网络的结构试验技术(无墙实验室； 缺点：不亲自动手，难发现问题) 现代测试技术（进行无破损、微观的量测；提高测量精度和速度） 计算机技术的应用（计算机仿真的发展）1.6 试验技术发展方向 加载设备大型，超大型（10000kN）电液压力伺服机；复杂多向加载系统；大型风洞、大型离心机1.6 试验技术发展方向 测试仪器 测试仪器高精度、高灵敏度、强抗干扰；智能传感器、高速采样 计算机应用数据采集、数据分析、数据存储系统控制、数值模拟NI CompactDAQ系统系统测试仪器思考题 1.工程结构试验的任务是什么？2.土木工程结构试验分哪几类？各类试验的目的是什么？3.查阅土木工程结构试验与检测技术的发展。
